Rekordowa prędkość na krawędzi otchłani. Gwiazda S301 pędzi wokół czarnej dziury i testuje Einsteina
Astrofizycy z Instytutu Fizyki Pozaziemskiej Maxa Plancka w Niemczech zaobserwowali najszybszy obiekt gwiazdowy w historii badań kosmosu.
Gwiazda oznaczona symbolem S301 porusza się w bezpośrednim sąsiedztwie supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej, osiągając prędkość rzędu 8,5% prędkości światła. Jej odkrycie to nie tylko rekord w tabelach astronomicznych, ale przede wszystkim unikalne narzędzie do weryfikacji metryki Kerra i testowania granic ogólnej teorii względności.
25 tysięcy kilometrów na sekundę wokół Sagittarius A*
Podczas zbliżania się do punktu perycentrum – oddalonego zaledwie o około 12 jednostek astronomicznych (136–142 promieni Schwarzschilda Sgr A*) od czarnej dziury – gwiazda S301 rozpędza się do 25 000 km/s. Po wykonaniu ciasnego nawrotu w skrajnym polu grawitacyjnym obiekt zwalnia i oddala się po silnie eliptycznej orbicie o okresie zaledwie 8,7 roku.
Skala tej orbity redefiniuje dotychczasowe obserwacje centrum galaktyki. Po pierwsze mamy do czynienia z ekstremalnym (w kosmicznych skalach) zbliżeniem do czarnej dziury. S301 zbliża się do Sagittarius A* około dziesięciokrotnie bliżej niż gwiazda S2, która przez dekady służyła za główny punkt odniesienia w badaniach relatywistycznych.
No i ta prędkość. Osiągane przez nią 25 000 km/s deklasuje wszystkie znane obiekty gwiazdowe w Drodze Mlecznej i stanowi ułamek prędkości światła niedostępny dotąd w bezpośrednich obserwacjach orbitalnych. Co to daje nauce?
Szansa na pomiar wleczenia czasoprzestrzeni i wyznaczenie spinu
Prawdziwa wartość naukowa S301 wynika z jej unikalnej trajektorii. To pierwszy znany obiekt gwiazdowy obserwowany tak blisko Sagittarius A*, gdzie efekt wleczenia czasoprzestrzeni (Lensego-Thirringa) przez rotującą czarną dziurę powinien być wyraźnie mierzalny.
Tutaj mała dygresja, bo zależy mi na pełnym zrozumieniu tematu. Czym właściwie jest ten efekt Lensego-Thirringa? Najprościej wyobrazić sobie czasoprzestrzeń jako niewidzialną strukturę otaczającą każdy obiekt. Masa ją zakrzywia, ale gdy obiekt dodatkowo wiruje, jego obrót zaczyna „wlec” za sobą także otaczającą czasoprzestrzeń.
To właśnie efekt Lensego-Thirringa, przewidziany przez ogólną teorię względności. W pobliżu nierotującego obiektu liczy się przede wszystkim jego masa. W pobliżu szybko wirującej czarnej dziury dochodzi jeszcze wpływ jej spinu. S301 porusza się tak blisko Sagittarius A*, że jej orbita może dostarczyć informacji właśnie o tym efekcie. Zamiast badać wyłącznie statyczną krzywiznę, astrofizycy zyskują możliwość analizy deformacji wywoływanych bezpośrednio przez ruch wirowy samej czarnej dziury.
Obserwacje kolejnych orbit S301 w perspektywie najbliższej dekady otwierają po raz pierwszy realną drogę do bezpośredniego wyznaczenia spinu Sagittarius A* (czyli parametru opisującego rotację czarnej dziury) i przetestowania założeń metryki Kerra.
No i tu być może pojawia się kolejne pytanie. Czym jest metryka Kerra? To swoista „instrukcja obsługi” czasoprzestrzeni wokół wirującej czarnej dziury. Ogólna teoria względności mówi, że masa i energia zakrzywiają czas i przestrzeń. Kerr poszedł o krok dalej: opisał matematycznie, jak ta geometria zmienia się, gdy czarna dziura dodatkowo wiruje. Z tej matematycznej konstrukcji wynikają konkretne przewidywania dotyczące tego, jak będą zachowywać się w jej pobliżu materia, światło i orbity gwiazd.
I właśnie dlatego S301 jest tak cenna. Jej ekstremalnie ciasna orbita pozwala astronomom sprawdzić, czy rzeczywisty ruch gwiazdy zgadza się z przewidywaniami metryki Kerra. Jeżeli tak, będzie to kolejny niezwykle mocny test ogólnej teorii względności. Jeżeli pojawi się mierzalne odstępstwo, naukowcy dostaną coś jeszcze ciekawszego: wskazówkę, że nasz opis grawitacji w najbardziej ekstremalnych warunkach wymaga korekty.
Wyzwanie na granicy czułości aparatury
Śledzenie S301 wymagało skoordynowanej pracy najbardziej zaawansowanych instrumentów optycznych. Gwiazda jest obiektem skrajnie ciemnym – świeci dwa miliardy razy słabiej niż Betelgeza.
Do jej wykrycia i zrekonstruowania trajektorii naukowcy wykorzystali instrument GRAVITY pracujący na interferometrze VLTI w Chile, analizując dane zbierane od 2017 roku. W przyszłości do precyzyjnego śledzenia kolejnych przejść S301 przez perycentrum dołączy instrument MICADO (skrót od Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations), budowany dla Ekstremalnie Wielkiego Teleskopu (ELT) Europejskiego Obserwatorium Południowego.
Astronomowie w końcu zmierzyli największą galaktykę we wszechświecie. Jej rozmiar przytłacza
